Сварные конструкции. Расчет и проектирование

РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ОСТАТОЧНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ В СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЯХ

Современные представлення о распределении собствен­ных напряжений в сварных соединениях сложились на ос­нове экспериментальных и расчетных данных. Поля этих напряжений крайне многообразны и изменчивы от случая к случаю. Наиболее стабильный характер имеют остаточные напряжения вдаль швов ая. В образцах татщиной до 15.. .20 мм, сваренных за 1.. .3 прохода плавлением, струк­турные превращения в которых завершаются при высоких температурах, распределение напряжений имеет вид, пока­занный на рис. 6.12, а. . .г. В ннзкоуглеродистых и аусте - нитных сталях максимальные напряжения ах наблюдаются в шве и вблизи него. Они примерно равны пределу теку­чести. В титановых и алюминиевых сплавах максимальные напряжения могут составлять (0,5. . .0,8)от, а иногда и

ниже. Более высокие напряжения возникают при сварке мощными источниками с высокой скоростью. В зоне, не­сколько меньшей зоны пластических деформаций, дейст­вуют растягивающие напряжения. За пределами этой зоны

напряжения обычно сжимающие и мало меняются по шири­не пластины. Из-за искривления пластин вовремя сварки или от изгиба напряжения ах вдалеке от оси шва могут быть близкими к нулю или даже растягивающими.

Структурные превращения, если они происходят при температурах ниже 300. . . .400 "С, существенно изменяют характер напряжений в зоне пластических деформаций. Центральная часть — шов и зона термического влияния — испытала при нагреве и остывании структурные превраще­ния (рис. 6.13, а), которые завершились при низкой тем­пературе и сопровождались удлинением металла. Здесь возникли напряжения сжатия. При сварке таких сталей ауетенитными электродами в шве возникают растягиваю­щие напряжения (рнс. 6.13, б); в зоне термического влия­ния, где произошли структурные превращения, имеются напряжения сжатия. В большей части зоны пластических деформаций, где структурные превращения не возникали, действуют напряжения растяжения. За пределами зоны пластических деформаций в основном металле в таких ста­лях продольные напряжения о,, как правило, сжимающие, но могут быть растягивающими (на рис. 6.13, а показано
пунктирной линией), если вклад зоны сжатия в централь­ной части весьма значителен.

Все рассмотренные закономерности распределения на­пряжений ах в стыковых соединениях полностью отно­сятся к соединениям с угловыми швами, выполненными за 1. . .5 проходов,— нахлесточным, тавровым и угловым.

Помимо продольных в сварных однопроходных соеди­нениях возникают также поперечные о„ и касательные

1ху напряжения. Значительные касательные напряжения тхи образуются в местах высоких градиентов напряжений ах и о„, т. е. по концам швов.

В швах большой толщины остаточные напряжения за­висят от способа выполнения шва и последовательности укладки слоев. В многослойных сварных соединениях из ннзкоуглеродистых сталей напряжения ах в шве близки к от. Распределение напряжений о„ в V-образном соедине­нии, которое сваривалось в свободном состоянии, показано кривой 1 на рис. 6.14, а. Напряжения о„ в корне шва при толщинах более 40. . .60 мм велики из-за большой пла­стической деформации при угловом перемещении. Каждый очередной слой вызывает поперечную усадку и изгиб за­варенной части, создавая в корне шва растяжение. Если шов выполняется на пластинах, которые не могут повора­чиваться, то каждый новый слой будет вызывать в корне шва только сжатие. В результате появятся большие сжима­
ющие напряжения а„><гт в корне шва и растягивающие (Тп«0,5стт на поверхности (кривая 2 на рис. 6.14, а).

Электрошлаковая сварка, выполняемая за один проход, вызывает в образцах толщиной более 150. . .200 мм объем­ные напряжения в глубине металла (рис. 6.14, б). Все три

компонента напряжений при этом растягивающие, на по­верхности а, и о„ — сжимающие. Такой характер напря­жений объясняется сопротивлением основного металла усадке зоны сварного соединения как в продольном направ­лении, так и по толщине, а также неравномерностью рас­пределения температур при сварке: в глубине металл на­гнет сильнее, а на поверхности из-за теплоотдачи — слабее. При остывании центральная часть сокращается сильнее и в ней возникает трехосное растяжение.

Круговые швы на плоскости, с помощью которых вва­ривают различные круглые элементы (рис. 6.15, а), имеют осесимметричное распределение напряжений, за исключе-

ниєм зоны встречи начала и конца шва. В таком соединении следует различать три основных зоны: внутреннюю У, сред­нюю 2 и внешнюю 3. Зона 2 шириной 2Ьа соответствует зоне растягивающих напряжений обычного прямолинейно­го шва; в ней действуют высокие окружные напряжения a, t, близкие к пределу текучести (рис. 6.15, б). Вследствие уравновешенности напряжений a(j с напряжениями о, при г=г, и г=г, в пределах ширины кольца 2Ьа (рнс. 6.15, а, б) радиальные напряжения a, tt, действующие на внешнюю зону 3, всегда больше напряжений ог„, действующих на

внутреннюю зону. В ннзкоуглероднстых и аустенитных сталях зона 2 находится в состоянии пластической дефор­мации, что соответствует условию пластичности:

о,+о?,—о, ,<!,, = о*. (6.19)

На рис. 6.15, б схематично показано несколько возможных распределений (/, /У, III) эпюр напряжений orj и o<t в зоне 2. Напряжения о,5 и аГи всегда растягивающие,’ а напряжение а, н может быть и растягивающим, и сжимаю­щим. Это зависит от соотношения поперечной усадки в на­правлении г и окружной усадки. Поперечная усадка соеди­нения вызывает растягивающие напряжения аг и в зоне У, и в зоне 3 (рис. 6.15, в); окружная усадка вызывает в зоне 3 растяжение напряжением ог<, а в области У — сжатие. При малых размерах зоны 1 действие поперечной усадки преоб­
ладает над окружной усадкой, следовательно, имеем растя­гивающие напряжения. Аналогичная картина наблюдается, если зона 1 представляет собой жесткое тело (бобышку) или фланец диаметром до 100.. .200 мм. Сжимающие напря­жения ог в зоне I возникают при относительно малой жесткости области 3, например при приварке узкого коль­ца. Окружное сокращение почти полностью передается на зону /.

Точечные соединения имеют осесимметричное распре­деление напряжений (рис. 6.16). При остывании централь­ной части в ней возникают растягивающие напряжения с равными компонентами af=at—aT. На некотором расстоя­нии окружные напряжения о, становятся сжимающими. Значения радиальных напряжений убывают примерно по закону 1/г', оставаясь растягивающими. В низкоуглероди­стых сталях зона двухосного растяжения соответствует участку, нагревающему­ся выше температуры 150. . .200 °С. При сты­ковой контактной сварке стержней продольные (по оси) напряжения на поверхности сжимаю­щие, а в глубине метал­ла все три компонента растягивающие.

Таким образом, рас - смотрениеостаточных на­пряжений в основных ви­дах сварных соединений показывает, что мак­симальные растягивающие напряжения, как правило, близ­ки к пределу текучести. В некоторых случаях они превы­шают от (корни многослойных швов, участки в глубине электрошлаковых соединений). Пластические деформации металла при сварке в отсутствие концентраторов напряже­ний составляют 1. . .2%. При наличии концентраторов — непроваров, несплавлений, шлаковых включений — пла­стические деформации могут быть настолько значительны, что существенно исчерпывается деформационная способ­ность металла, в некоторых случаях даже наступает его разрушение. При сложении остаточных напряжений с ра­бочими часто возникают небольшие пластические деформа­ции, которые в подавляющем большинстве случаев не вли­яют на прочность.